冼進(jìn)，冼允廷

(華南理工大學(xué),計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,廣東，廣州 510006)

0 引言

數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)是為數(shù)字邏輯以及數(shù)字電路設(shè)計(jì)而單獨(dú)設(shè)置的一門實(shí)踐課程，采用實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式就是強(qiáng)調(diào)動(dòng)手設(shè)計(jì)以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)電路能力，基本出發(fā)點(diǎn)是理論與實(shí)踐相結(jié)合，基本理論與新的設(shè)計(jì)方法相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)直接關(guān)系到學(xué)生對(duì)其理論課知識(shí)的掌握，關(guān)聯(lián)到后續(xù)重要專業(yè)課程計(jì)算機(jī)組成原理、微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等課程的學(xué)習(xí)，因此數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)課的重要性不容置疑[1-2]。

1 數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

通過(guò)詳細(xì)了解傳統(tǒng)教學(xué)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱能夠發(fā)現(xiàn)，其主要是將眾多的芯片插置到電路板上，所有插座的管腳均同插孔相對(duì)應(yīng)并且完成連接，同時(shí)所有的插座均為單獨(dú)存在的，這些獨(dú)立的插座并不會(huì)在電路板上同另外插座存在有關(guān)的連接關(guān)系。在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，選擇合適的插座并且在其中放置上相關(guān)的芯片，同時(shí)在與之對(duì)應(yīng)的插孔內(nèi)部借助將外接導(dǎo)線插入的方式使其關(guān)聯(lián)在一起，從而組合成一個(gè)完整的實(shí)際電路。以上所描述的就是基于傳統(tǒng)數(shù)字邏輯電路為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱[3]。

1.1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)點(diǎn)

(1) 學(xué)會(huì)仔細(xì)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，冷靜思考問(wèn)題，查找實(shí)驗(yàn)故障。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱上做數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)，這種情況下產(chǎn)生問(wèn)題是無(wú)法規(guī)避的，在這里需要注意的是其最為核心的部分應(yīng)該放到分析問(wèn)題上，從而獲取到問(wèn)題出現(xiàn)的根本原因。并且將其解決[4]。通常情況下來(lái)講，產(chǎn)生問(wèn)題的因素來(lái)自4個(gè)層面：接線錯(cuò)誤；器件故障；設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；測(cè)試方法不準(zhǔn)確。

(2) 實(shí)踐性強(qiáng)，培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手能力。學(xué)生可通過(guò)連接電路，搭建電路，設(shè)計(jì)邏輯電路等多種方式，獲得更多的動(dòng)手機(jī)會(huì)。將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)研究能力、動(dòng)手能力以及創(chuàng)新能力全面培養(yǎng)起來(lái)，并對(duì)理論教學(xué)的知識(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取感性認(rèn)識(shí)從而掌握該知識(shí)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程里面產(chǎn)生的一般故障，可以借助有效的方式來(lái)處理和解決。除此之外能夠獨(dú)立分析以及評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[5]。

1.2 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題和不足

傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)箱，存在著如下的缺點(diǎn)或不足：①實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作繁雜；②實(shí)驗(yàn)耗材損耗大，維護(hù)管理困難；③實(shí)驗(yàn)內(nèi)容古板，不利于主觀創(chuàng)造性；④綜合開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)難實(shí)現(xiàn)；⑤與社會(huì)應(yīng)用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)有較大差距。

1.3 基于軟件虛擬仿真數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)相比，基于軟件(立創(chuàng)EDA、Multisim等)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)靈活多變，能提供豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，彌補(bǔ)用硬件實(shí)驗(yàn)箱在實(shí)驗(yàn)中無(wú)法進(jìn)行多器件選擇、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不足，借助軟件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以使得學(xué)生自身的分析以及設(shè)計(jì)能力得到有效的提升，最終幫助學(xué)生全面增強(qiáng)創(chuàng)新能力。采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)?wèn)題從根本上解決，并且實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以基于教學(xué)目的來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而讓實(shí)踐以及理論有效的結(jié)合在一起[6-7]。

虛擬仿真數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要優(yōu)點(diǎn)：①打破實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和時(shí)間限制；②實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示直觀性及多樣化；③有利于發(fā)揮學(xué)生主觀創(chuàng)造、創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，鍛煉學(xué)生綜合編程虛擬仿真能力，把邏輯實(shí)驗(yàn)做到極致。

1.4 數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思想和目標(biāo)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革以培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用型邏輯電路設(shè)計(jì)、分析能力及集成電路應(yīng)用專業(yè)人才為目標(biāo)。目前不論是微電子技術(shù)，還是計(jì)算機(jī)技術(shù)，所取得的進(jìn)展都是巨大的，就會(huì)對(duì)應(yīng)要求數(shù)字邏輯電路在實(shí)驗(yàn)手段及方法上，持續(xù)調(diào)整以及拓展。所以使用的實(shí)驗(yàn)方法就是將軟件和硬件進(jìn)行結(jié)合的綜合性的方式，進(jìn)而對(duì)于實(shí)驗(yàn)方法基于傳統(tǒng)純硬件邏輯的來(lái)進(jìn)行了替代，因而其直接成為以后數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)未來(lái)發(fā)展以及改革的方向[9-12]。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改進(jìn)及實(shí)施

2.1 數(shù)字邏輯實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法整體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)首先對(duì)基礎(chǔ)驗(yàn)證性邏輯電路實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行，如邏輯功能測(cè)試、基本觸發(fā)器等實(shí)驗(yàn)，學(xué)生認(rèn)知簡(jiǎn)單IC集成電路和線路連接。在此基礎(chǔ)上，再使用仿真軟件對(duì)原有數(shù)字邏輯基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，最后增加綜合性實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)，如數(shù)字鐘、搶答器、交通燈控制和數(shù)字頻率計(jì)等。課后建設(shè)部分項(xiàng)目式課程設(shè)計(jì)，讓部分能力強(qiáng)的學(xué)生更加深入理論聯(lián)系實(shí)際，大膽發(fā)明創(chuàng)造設(shè)計(jì)理念。

2.2 數(shù)字邏輯基礎(chǔ)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)實(shí)施

圖1所示，最左邊一列是基礎(chǔ)邏輯門電路：“與門”“或門”和“非門”；圖中所有其他的邏輯門都可以用這3種邏輯門組合形成，例如第二列的與非門和第三列的或非門，較為復(fù)雜的是最右邊一列的異或門的等效邏輯電路。在實(shí)驗(yàn)箱上用6片IC進(jìn)行實(shí)物連接線并功能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 邏輯門電路

表1 不同邏輯門電路功能測(cè)試

2.3 數(shù)字邏輯經(jīng)典綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真教學(xué)

以一個(gè)“交通燈”系統(tǒng)經(jīng)典綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為例，展示如何運(yùn)用“狀態(tài)機(jī)”原理來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)序系統(tǒng)并進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)[13]?！敖煌簟钡臓顟B(tài)圖如圖2所示，其狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)一共有3個(gè)，分別是T1和T2還有T3，對(duì)于每個(gè)狀態(tài)來(lái)說(shuō)，其亮燈的時(shí)間以及模式都是不一樣的。對(duì)于這個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)說(shuō)是沒(méi)有輸入的，那么其目前的狀態(tài)對(duì)于狀態(tài)的轉(zhuǎn)移方面就起到了決定性的作用。經(jīng)由時(shí)鐘φ的驅(qū)動(dòng)下，那么狀態(tài)機(jī)就會(huì)依據(jù)下面的順序來(lái)進(jìn)行循環(huán)的轉(zhuǎn)移：T1→T2→T3→T1→…，圖3呈現(xiàn)的就是狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)序圖。

圖2 “交通燈”系統(tǒng)在脈沖驅(qū)動(dòng)下的狀態(tài)圖

圖3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移的時(shí)序圖

圖4 “交通燈”系統(tǒng)仿真電路圖

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改進(jìn)的實(shí)施效果

3.1 虛實(shí)融合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法效果

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)其主要就是互補(bǔ)于傳統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將上述的2種教學(xué)方式進(jìn)行了融合創(chuàng)新，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法之后，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)與創(chuàng)新優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用，基礎(chǔ)數(shù)字邏輯芯片驗(yàn)證設(shè)計(jì)，由原實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也可在仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行仿真，兩者相輔相成，互相促進(jìn)，如圖5所示，使用2種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行半加器實(shí)驗(yàn)，結(jié)果與實(shí)際設(shè)計(jì)電路是一致。

3.2 經(jīng)典實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例實(shí)施取得新成績(jī)

經(jīng)過(guò)近幾年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐，結(jié)合“數(shù)字邏輯”課程中經(jīng)典實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例，如“交通燈”系統(tǒng)、“汽車尾燈”控制系統(tǒng)、“循環(huán)彩燈”控制系統(tǒng)、“多人表決”控制系統(tǒng)等，對(duì)這些“項(xiàng)目式”綜合性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真與實(shí)操，有部分有能力、有硬件開(kāi)發(fā)技術(shù)的學(xué)生，通過(guò)開(kāi)發(fā)前面提出項(xiàng)目式實(shí)例方面的創(chuàng)新點(diǎn)，大部分同學(xué)都拿到學(xué)校創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目或大學(xué)生國(guó)家創(chuàng)新項(xiàng)目(國(guó)創(chuàng))，大學(xué)生在課程或?qū)嵺`設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，也可以這些經(jīng)典項(xiàng)目為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件和嵌入式技術(shù)，進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)和深入研究，就能開(kāi)發(fā)出更加完美、功能強(qiáng)大實(shí)際應(yīng)用案例[14]。通過(guò)多屆學(xué)生的實(shí)踐開(kāi)發(fā)證明，選擇經(jīng)典“項(xiàng)目式”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目訓(xùn)練、實(shí)踐的畢業(yè)生，應(yīng)用技術(shù)、知識(shí)面更廣，理論基礎(chǔ)更加扎實(shí)，有豐富的硬件項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和動(dòng)手實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，解決實(shí)際問(wèn)題能力更強(qiáng)，就業(yè)面更寬，在當(dāng)今就業(yè)難度極大的環(huán)境下走出困境，脫穎而出。

圖5 半加器基礎(chǔ)邏輯實(shí)驗(yàn)虛擬仿真設(shè)計(jì)與仿真效果展示

3.3 學(xué)生參加創(chuàng)新項(xiàng)目和學(xué)科競(jìng)賽取得的成績(jī)

硬件設(shè)計(jì)是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，在信息化發(fā)展關(guān)鍵領(lǐng)域中起著關(guān)鍵作用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)和工程實(shí)踐的訓(xùn)練，學(xué)生掌握和積累了比較好硬件設(shè)計(jì)知識(shí)，通過(guò)積極參與物聯(lián)網(wǎng)大賽、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)大賽、電子電路設(shè)計(jì)大賽、人工智能創(chuàng)新大賽、大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽和機(jī)器人競(jìng)賽，課外的科技活動(dòng)吸引好學(xué)生參與，這樣就為優(yōu)秀的學(xué)生脫穎出來(lái)，創(chuàng)造了不錯(cuò)的條件，同時(shí)也能激發(fā)大部分學(xué)生來(lái)學(xué)習(xí)硬件設(shè)計(jì)興趣，對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)也得到了培養(yǎng)，將學(xué)生的動(dòng)手能力進(jìn)一步的鍛煉，教學(xué)質(zhì)量也得到了提升，在參賽中也多次獲得全國(guó)性獎(jiǎng)多項(xiàng)榮譽(yù)[15]。

4 總結(jié)

實(shí)踐證明，在“數(shù)字邏輯”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和探索過(guò)程中，合理按排傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和在軟件上進(jìn)行綜合仿真實(shí)驗(yàn)比例，提高硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體質(zhì)量水平，增加學(xué)生自主綜合選題的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，將兩種類型的實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、融合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不但可以讓學(xué)生將數(shù)學(xué)邏輯的原理還有基本的知識(shí)都可以進(jìn)行掌握，而且對(duì)于他們的動(dòng)手實(shí)踐能力也還可以提升，基于此學(xué)生不但可以在軟件方面訓(xùn)練得不錯(cuò)，而且在硬件方面也得到很大的提升。培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，力求實(shí)現(xiàn)理論結(jié)合實(shí)際，學(xué)以致用的原則，初步掌握工程設(shè)計(jì)方法和組織實(shí)踐的基本技能，學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí)，并能不斷接受新知識(shí)，大膽發(fā)明創(chuàng)造設(shè)計(jì)理念。